一种呈螺旋方向上升且振幅盘绕的打孔方法及打孔系统与流程

本发明涉及激光打孔技术领域，尤其涉及一种呈螺旋方向上升且振幅盘绕的打孔方法及打孔系统。

背景技术：

已有技术主要有以下三种方式：

1、机械钻孔方式：是电机带动优质金刚钻，利用钻头高速旋转与玻璃表面进行磨销，使玻璃产生圆形孔位。该技术只适用于厚度大于2mm的玻璃钻孔，对于厚度小于2mm的玻璃，该钻孔工艺的成品率非常低，效率慢；钻的孔径由钻头大小决定，不可随意变化；钻头磨损较大，需要定期更换，停工率和成本高。

2、激光、机械z轴配合2d振镜的钻孔方式(打孔路径如图1所示)：保持场镜下玻璃位置不动，调整机械z轴的上升或下降，将激光焦点聚焦到待加工材料的下表面，机械z轴配合2d振镜，从下往上逐层加工。

具体方式为：振镜中心位于孔轴心上方，当z轴处于最下层时，给2d振镜发出指令后，振镜从轴心位置1跑空程至螺旋线起点，此时，激光器发出激光，振镜沿着螺旋线运动，每一层螺旋线是一条独立的螺旋线，有固定的内径、0.03-0.05mm的线间距、4-6条线条组成。走完一层螺旋线后，激光器关闭激光，振镜回到轴心位置，机械z轴匀速往上走一个层高d，如此循环，最终把层数n走完。

该技术的缺点：

(1)由于每一层激光器都有开、关光过程，因此，在螺旋线的入口会留下切割不彻底残留的挂渣或裂口，导致孔内出现白条，或较大崩边，容易形成应力集中点，从这个位置裂开，同时导致孔壁粗糙、不光滑；

(2)无法保证机械z轴与xy轴同步、协调，可能会出现重复加工，加工效率无法最大化。

3、激光、3d振镜结合常规软件控制打孔方式(其打孔路径与图1相同)：保持场镜下玻璃位置不动，调整3d振镜，将激光焦点聚焦到待加工材料的下表面，3d振镜调节焦点位置，从而实现从下往上逐层加工。具体方式为：振镜中心位于孔轴心上方，z轴静止，给加工指令后，振镜从轴心跑空程至螺旋线起点，此时，激光器发出激光，振镜沿着螺旋线运动，每一层螺旋线是一条独立的螺旋线，有固定的内径、0.03-0.05mm的线间距、4-6条线条组成。走完一层螺旋线后，激光器关闭激光，振镜回到轴心位置，3d振镜控制的焦点抬高一层继续加工，如此循环，最终把层数走完。

该技术的缺点：

(1)同样每一层激光器都有开、关光过程，因此，在螺旋线的入口会留下切割不彻底残留的挂渣或裂口，导致孔壁粗糙、不光滑；

(2)由于采用3d振镜，运动效率以及加工模式会比“已有技术1、2”快，但振镜z轴与xy轴不联动，导致加工效率无法最大化。

技术实现要素：

为解决现有技术中加工粗糙，加工效率低的问题，本发明提供一种呈螺旋方向上升且振幅盘绕的打孔方法，还提供了一种实现所述呈螺旋方向上升且振幅盘绕的打孔方法的打孔系统，通过控制激光加工路径，在加工过程中，激光沿螺旋方向正弦运动，振幅盘绕形成缝宽，达到切割、打孔的目的。

本发明包括如下步骤：

s1：设置螺旋线，所述螺旋线自下往上沿中心轴盘绕上升，所述螺旋线的高度与待加工的产品厚度相同；

s2：设置激光行走路径，所述激光行走路径为沿所述螺旋线方向上升、并以所述螺旋线为中心线做正弦运动形成的正弦曲线；

s3：设置激光打孔参数；

s4：调节激光器的3d振镜起点位置，将激光聚焦到待加工材料的下表面；

s5：所述3d振镜的z轴与xy轴联动，激光沿所述激光行走路径线螺旋上升且振幅盘绕打孔，直至走完螺旋线。

本发明作进一步改进，还包括步骤s6：激光器关闭激光，3d振镜的z轴与xy轴均回到初始位置。

本发明作进一步改进，在步骤s1中，所述螺旋线包括n层，相邻螺旋的间距h为0.02mm-0.04mm，根据激光炸裂点大小而定，n为不小于1的整数。

本发明作进一步改进，在步骤s2中，所述正弦运动函数为其中，a为振幅，根据切割缝宽而定；ω根据激光炸裂点大小而定；x＝0-n·πd，根据玻璃厚度而定，n为层数，d为钻孔圆直径，根据需要设置激光切入口位置而定。

本发明作进一步改进，所述振幅a的取值范围为0.2mm-0.4mm，所述ω的取值范围为25π-50π，所述取值范围为0-2π。

本发明作进一步改进，在步骤s5中，所述3d振镜的z轴匀速上升，上升高度所述z轴走完一层螺旋线后，所述激光器的振镜控制的激光焦点升高了h。

本发明还提供了一种实现所述呈螺旋方向上升且振幅盘绕的打孔方法的打孔系统，包括控制器和激光器，其中，

所述控制器包括：螺旋线设置模块：用于设置螺旋线，所述螺旋线自下往上沿中心轴盘绕上升，所述螺旋线的高度与待加工的产品厚度相同；激光行走路径设置模块：用于设置激光行走路径，所述激光行走路径为沿所述螺旋线方向上升、并以所述螺旋线为中心线做正弦运动形成的正弦曲线；激光打孔参数设置模块：用于设置激光打孔参数；激光器控制模块：用于调节激光器的3d振镜起点位置，将激光聚焦到待加工材料的下表面，并控制激光器沿所述激光行走路径打孔。

所述激光器由控制器控制，包括3d振镜，所述3d振镜采用z轴和xy轴联动，沿激光行走路径进行激光打孔。

本发明作进一步改进，所述控制器还包括归零模块：用于控制3d振镜在打孔前确定初始位置，在打孔后，控制3d振镜回到初始位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在激光加工整个过程中，激光沿螺旋方向正弦运动，产生振幅形成缝宽，行驶路径比单层螺旋线要短。同时，于激光器而言只有一次开激光、关激光，于振镜而言只有开激光前的空行程、关激光后回到初始状态共两次空行程，大幅减少原有技术中每一层都要有开激光前的空行程、开激光、关激光、关激光后回到轴心等动作，减少了控制时间，从而提高了加工效率；2.每层螺旋线没有开、关激光的切入口，只有一次开激光、关激光，切割断面非常平滑，不会出现裂口或挂渣，可以应用于精密加工领域。

附图说明

图1为已有技术2、3的激光加工路径示意图；

图2为本发明激光行走路径俯视示意图；

图3为激光运动轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的硬件基础：

(1)本发明的加工对象主要是玻璃、蓝宝石等透明脆性材料激光加工，激光聚焦能量可以直接气化掉焦点附近的材料；

(2)本发明采用3d振镜作为扫描工具。

本发明的具体实施方法如下：

1、通过控制器设定参数

主要步骤包括：

(1)设置螺旋线相邻螺旋线的间距h、螺旋线的直径、螺旋线的高度等，所述螺旋线自下往上沿中心轴盘绕上升，所述螺旋线的高度与待加工的产品厚度相同；

(2)经过软件编程控制激光的行走路径，形成沿所述螺旋线方向上升、形成沿螺旋线上升且振幅盘绕的激光路径。具体的，所述激光行走路径为沿所述螺旋线方向上升、并以所述螺旋线为中心线做正弦运动形成的正弦曲线。

(3)设置激光打孔参数，所述打孔参数包括激光功率、频率、打孔速度等。

2、激光打孔

如图2和图3所示，本发明具体实现方法为：

(1)调节3d振镜焦点起点位置，将激光聚焦到待加工材料的下表面。

(2)3d的振镜中心位于待加工材料孔轴心1上方，3d振镜的z轴静止，系统接收到开始加工指令后，3d振镜xy轴从轴心跑空程至螺旋线起点，此时，激光器发出激光，3d振镜控制的激光焦点沿着螺旋线2的螺旋方向上升做正弦运动。

本例的正弦运动函数为其中，a为振幅，取值范围为0.2mm-0.4mm，根据切割缝宽而定；ω取值范围为为25π-50π，根据激光炸裂点大小而定；x为0-n·πd(n为层数；d为钻孔圆直径)，根据玻璃厚度而定；取值范围为0-2π，根据需要设置激光切入口位置，减小崩边量及避免裂口和挂渣；相邻螺旋间距h为0.02mm-0.04mm，根据激光炸裂点大小而定；沿着螺旋方向，z轴匀速上升，上升高度走完一层螺旋线后，振镜控制的激光焦点升高了h，此时，激光继续沿着螺旋方向做正弦运动，z轴匀速上升，直到走完第二层螺旋线，振镜控制的激光焦点升高了2h。如此循环，z轴与xy轴联动直到走完整个激光行走路径3，激光器关闭激光，3d振镜的z轴与xy轴均回到初始位置。

本发明具有如下创新点：

(1)在激光加工整个过程中，激光沿螺旋方向正弦运动，产生振幅形成缝宽，行驶路径比单层螺旋线要短。同时，于激光器而言只有一次开激光、关激光，于振镜而言只有开激光前的空行程、关激光后回到初始状态共两次空行程，大幅减少原有技术中每一层都要有开激光前的空行程、开激光、关激光、关激光后回到轴心等动作，减少了控制时间，从而提高了加工效率。

(2)每层螺旋线没有开、关激光的切入口，只有一次开激光、关激光，切割断面非常平滑，不会出现裂口或挂渣，可以应用于精密加工领域。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。